Physik am Rande des Universums
Auf dem Gebiet der Kosmologie werden interessante Fragen in wissenschaftlichen Arbeiten meist gut behandelt. Die Enthüllung der Geheimnisse der dunklen Energie, der Quelle der beschleunigten Expansion des Universums, ist eines der größten Geheimnisse der modernen Wissenschaft. Dunkle Materie, Teilchen, die die große Anzahl beobachtbarer Kuriositäten des Universums erklären können, wurde Wissenschaftlern, die nach direkten Beweisen für ihre Existenz suchen, noch nicht gegeben. Die Schwarzlochphysik mit ihren Paradoxien der Krümmung von Raum und Zeit und der jüngsten Aufmerksamkeit dank des Blockbusters ist Interstellar immer bereit, bewundernde Ausrufe zu verursachen.Alle diese Forschungsbereiche werden von der kosmologischen Gemeinschaft aktiv entwickelt und sind nicht nur Konzepte, die die Aufmerksamkeit von Menschen auf sich ziehen, die nicht mit Wissenschaftlern verwandt sind. Wenn Sie jedoch eine Universität besuchen, an der Kosmologen arbeiten, oder eine Konferenz über Kosmologie besuchen, werden Sie Berichte über andere interessante Bereiche unserer Wissenschaft hören, die das wissenschaftliche Wissen erweitern, von Inflationstheorien bis zur Erkennung von Gravitationswellen und anderen. In der Sachliteratur wird ihnen im Vergleich zu den "Großen Drei" relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt: Dunkle Materie, Dunkle Energie und Physik des Schwarzen Lochs. Ich möchte zwei Bereiche beschreiben, die Teil der Kosmologie sind und die gleiche Aufmerksamkeit verdienen: die Natur der kosmischen Strahlen superhoher Energien verstehen und das Universum des dunklen Zeitalters markieren.
Ultrahochenergetische kosmische Strahlen
Die Erdatmosphäre wird ständig von Partikeln aus allen Richtungen des Weltraums bombardiert. Diese Teilchen sind nicht wie Meteoriten oder Weltraummüll, sondern getrennte Teilchen oder Atomkerne. Abgesehen davon ist nichts über sie bekannt, da wir die kosmische Strahlung nicht direkt messen. Wenn ein Strahl in die Atmosphäre gelangt, kollidiert er mit seinen Partikeln. Dies führt zu einer Kettenreaktion von Sekundärteilchen, die auf eine relativ große Oberfläche fällt - die sogenannte breiter Luftniederschlag [Luftdusche]. Auf einer Fläche von 2590 km2 haben wir einen Detektor für eine solche Dusche gebaut. - Dies ist ein Observatorium. Pierre Auger in der argentinischen Stadt Mendoza. Detektorkapazitäten sind in der Lage, in sie fallende Partikel zu erkennen und die einfallende Richtung und Energie des kosmischen Strahls wiederherzustellen, der ein bestimmtes Ereignis erzeugt hat.
Die vom Auger-Observatorium beobachtete Energie der kosmischen Strahlung kann um zehn Größenordnungen variieren. Die Strahlen mit der höchsten Energie, die als Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) bezeichnet werden, tragen 1 J Energie pro Partikel. Etwa so viel Energie verbrauchen Sie, um eine Tasse Kaffee vom Tisch zu nehmen und einen Schluck zu trinken, während all diese Energie in einem Partikel enthalten ist.Ein weiteres Beispiel: Beim Large Hadron Collider, dem größten und leistungsstärksten der gebauten, arbeiten sie mit Energien in der Größenordnung von 10 bis 6 J. Die von UHECR beobachtete Energie ist millionenfach höher.
Beobachtete Quellen kosmischer Strahlung (schwarze Kreise). Rote Punkte - der Ort der aktiven galaktischen Kerne, die als UHECR-Quellen gelten.Es gibt viel mehr Strahlen mit niedrigen Energien als mit hohen - ungefähr 10 6 Strahlen mit einer durchschnittlichen Energie und ungefähr 1 UHECR erscheinen auf einem Quadratkilometer pro Jahr . Dies ist ein Grund, warum es schwierig ist, die genaue Richtung zu bestimmen, aus der UHECRs stammen - sie sind zu selten. Es ist auch schwer zu sagen, dass es diese Strahlen auf solche Energien beschleunigt. Bisher denken wir über Supernova-Explosionen, Assoziationen von Neutronensternen, Beschleunigung der Materie durch Schwarze Löcher, Gammastrahlenausbrüche und andere, exotischere Erklärungen nach. Keine der Erklärungen wurde bestätigt.
Strahlung mit einer Länge von 21 cm
Nach dem Auftreten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sind im Universum dunkle Jahrhunderte gekommen . Während dieser Zeit befand sich keine helle leuchtende Materie darin. Keine Sterne, Galaxien, Supernovae, Pulsare, Quasare - nichts, was sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung oder Röntgenstrahlung aussenden würde. Kurz gesagt, es gab nichts durch das Teleskop zu schauen.Aber gewöhnliche Materie in Form von neutralen Lichtelementen - hauptsächlich Wasserstoff - kollidierte und sammelte sich an. Einige Klumpen verwandelten sich in Sterne und Galaxien, andere blieben in Form von Streugas. Im Moment ist der beste Weg, eine Karte der Verteilung gewöhnlicher Materie zu erstellen und Beobachtungen zu sammeln, die unsere Modelle für die Entwicklung des Universums nähren, alles zu beobachten, was leuchtet. Aber wie kann man Informationen über das dunkle Zeitalter sammeln? Es bleibt unerforscht und bisher unzugänglich, wenn sich Materie noch nicht zu leuchtenden Objekten angesammelt hat.
Im Mittelalter gab es Regionen mit erhöhter (blau) und reduzierter (schwarz) Materiedichte, aber keine Sterne beleuchteten sieEine vielversprechende Möglichkeit, das dunkle Zeitalter zu untersuchen, besteht darin, 21-cm-Übergänge in neutralem Wasserstoff zu messen. Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron, und beide haben einen Spin. Die gegenseitige Ausrichtung ihrer Spins (ob sie in eine Richtung oder in die entgegengesetzte Richtung schauen) bestimmt den Energiezustand des Atoms. Unidirektionale Drehungen führen zu einem etwas höheren Energiezustand als multidirektionale. Objekte tendieren zu den niedrigsten Energien, so dass ein Wasserstoffatom mit unidirektionalen Spins spontan in einen Zustand wechseln kann, in dem die Spins multidirektional sind. Da dieses Niveau niedriger ist und Energie erhalten bleiben muss, wird bei diesem Prozess ein Photon emittiert. Die genaue Energiemenge, die bei diesem Prozess emittiert wird, ist bekannt und entspricht einer Photonenwellenlänge von 21,1 cm (Frequenz 1420,40575 MHz). (neutrale Wasserstoff-Funkleitung ).Unsere Erwartungen an die Helligkeit von 21-cm-Strahlung hängen davon ab, was um die Wolken aus neutralem Wasserstoff geschieht. Dies macht diese Strahlung zu einem erstaunlichen Detektor für verschiedene Bereiche der Physik. Wenn zum Beispiel ein neuer Stern in der Nähe zu leuchten beginnt, messen wir bestimmte Indikatoren im Strahlungsspektrum, die der Zeit des "Ein" des Sterns entsprechen. Wir haben jetzt wenig Daten über die ersten Momente der Sternentstehung, die etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall und möglicherweise viel früher auftraten. Darüber hinaus kann die Beobachtung solcher Phänomene helfen, eine Frage der Kosmologie zu beantworten: Warum ist unser Universum so ionisiert, dh warum gibt es in den beobachteten Gaswolken so viele positiv geladene Atome im Vergleich zur Anzahl der neutralen. Die Bildung des KMFI zeigt dies andass neutrale Atome sehr früh im Universum auftauchten, also musste etwas ein neutrales Gas aufladen. Was es ist, wo und wann es angefangen hat, wissen wir noch nicht.
Großartig! Lassen Sie uns alle 21 cm Lichtwellen messen und alle werden glücklich sein! Aber es ist nicht so einfach. Wir kennen den Zeitpunkt der Emission eines bestimmten Photons insbesondere durch seine Rotverschiebung. Wenn sich der Raum ausdehnt, nimmt die Länge der darin fliegenden Photonen zu. Daher wird das vor 13 Milliarden Jahren emittierte 21-cm-Photon eine längere Wellenlänge haben als das vor 1 Milliarde Jahren emittierte, da das erste Photon 12 Milliarden Jahre Expansion des Universums erlebte. Wir wissen jedoch genau, wie die Versatzlänge des emittierten Photons berechnet werden muss, sodass wir wissen, aus welcher Zeit es stammt.
Bei der Beobachtung einer 21-cm-Funkleitung gibt es zwei Haupthindernisse, die Wissenschaftler zu umgehen versuchen. Bei im dunklen Zeitalter emittierten Photonen führte die Rotverschiebung zur Dehnung der Welle auf 1 Meter. Da die Wellenlänge umgekehrt proportional zur Frequenz ist, kann berechnet werden, dass ihre Frequenz im Bereich von 1 GHz liegt. Bei dieser Frequenz senden die UKW-Radiosender, die Sie auf dem Weg zur Arbeit hören, aus. Vom Menschen erzeugte Funksignale spülen alle kosmischen Funksignale aus, daher sollten die 21-cm-Observatorien entweder an Orten mit Funkstille oder im Weltraum arbeiten [ im Original aus irgendeinem Grund, obwohl die tatsächliche Frequenz der Meterwellen im Bereich von 300 MHz liegt und das Radio mit Frequenzen arbeitet ca. 100 MHz - ca.]. Einer der besten Orte für ein solches Observatorium wäre die Rückseite des Mondes - die synchrone Rotation verbirgt ihn vor der Erde und bietet ständigen Schutz vor Radiosendungen.
Aber auf der Erde ist alles komplizierter. Wenn Sie sichtbares Licht durch ein Teleskop beobachten, müssen Sie sich in den Schatten bewegen, um sich von dem Licht zu isolieren, das Sie stört. Um nach dunklen Orten zu suchen, können Sie die Krümmung der Erde verwenden. Wenn Sie sich also von großen Städten entfernen, sodass diese bis zum Horizont nicht sichtbar sind, werden Sie von ihnen von der Erde bedeckt. Bei einer solchen Funkfrequenz funktioniert diese Nummer jedoch nicht. Der obere Teil der Atmosphäre reflektiert diese Radiowellen perfekt, sodass es nicht hilft, ihre Quelle jenseits des Horizonts zu verstecken. Ein Experiment zur Messung der 21-cm-Intensität des dunklen Zeitalters, SCI-HI, testet derzeit Detektordesigns an einem der funkfreiesten Orte auf Guadalupe Island in Mexiko.
Die Kosmologie ist ein aktives und faszinierendes Forschungsfeld, auch ohne populärwissenschaftliche Bereiche wie Dunkle Materie, Dunkle Energie und Schwarze Löcher zu berücksichtigen. Die beiden im Artikel beschriebenen Themen werfen nur tiefe Fragen auf, auf die Kosmologen nach Antworten suchen. Da die Beschreibung wissenschaftlicher Nachrichten normalerweise mit lebendigen Ergebnissen oder Schlussfolgerungen verziert ist, scheint es manchmal so, als hätten wir fast Antworten auf die letzten wichtigen Fragen zur Entwicklung des Universums gefunden. Aber wir stehen nur an der Klippe und schauen auf die Schlucht der neuen Grenzen der Kosmologie, die wir gerade zu studieren beginnen, und warten darauf, dass sich unsere Augen an sie gewöhnen.Source: https://habr.com/ru/post/de397397/
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